臺灣博碩士論文加值系統

順向坡為台灣常見之邊坡類型，其災變時常有快速的崩塌、滑動等現象，時常造成重大的災損。岩石邊坡中常有層面、葉理、節理等不連續面，這些不連續面往往為岩石邊坡穩定的關鍵。對於邊坡災害中常見的滑動破壞、塊體大量位移等問題，不連續面扮演著重要的角色，因此，透過能考慮分離塊體力學行為的離散元素進行順向岩坡之穩定分析，可望提供更準確之預測。
本研究應用分離元素法軟體PFC2D作為分析岩石順向坡之工具，透過邱家吉(2016)所提出之粗糙節理模式來闡述不連續面行為，進而分析節理岩石邊坡的破壞機制。研究將先以數值直剪試驗來驗證粗糙節理模式的合理性，接著透過模擬室內的研磨石直剪試驗，探討粗糙節理模式之適用性，最後以現地資料建立岩石順向坡模型，藉著與現地狀況的比對，探討其可行性。
在驗證粗糙節理模式的部分，將相同參數分別代入Barton力學模式及粗糙節理模式，分別得出Barton模式理論曲線及模擬數據，經結果的對比後，發現粗糙節理模式能合理的描述出Barton模式，使PFC2D能夠精確的描述弱面。而以粗糙節理模式模擬研磨石試體直剪試驗，同樣也得到良好的結果。最後以烏來忠治順向坡作為案例區，參照現地報告及鑽探資料，以節理遇水弱化及材料弱化做為促滑因子進行模擬，結果顯示，由兩種促滑因子的影響下，數值模型之崩積層有大量崩塌滑移的現象，而節理岩塊則有趨破碎的趨勢，與現地災後情形相符。由此可知，粗糙節理模式可用於模擬實際岩石邊坡，以供工程設計之參考。

There are many dip slopes in Taiwan. The failure of dip slope often has rapid collapse and sliding that causes significant casualties. Rock slope usually contains discontinuities such as bedding, foliation, joints, which are the key factor of rock slope stability. Thereforce, the discrete element analysis is a powerful method to investigate the stability of dip-slope.
In this study, PFC2D software is choose as the discrete element method to analyze rock dip-slope. Use the rough-joint model which developed by Chiu (2016) to simulate the weak plane and then analyze the failure mechanism of rock slope. This study first verity out the accuracy of rough-joint model by numerical direct shear test, and then simulate laboratory direct shear test with artificial rock sample to investigate the applicability of this model. Finally, set up a numerical rock slope model with in-situ data and then compare it with practical condition to discuss about the application of the rough-joint model on rock slope failure analysis.
In the part of rough-joint model verification, substituting the same parameter into Barton’s model and rough joint model can get a Barton’s theory curve and data of simulation. After comparison with each orther, we can find that rough-joint model can represent Barton’s model reasonably, and it let PFC2D express weak plane more precise. For the actual case-Wulai Zhongzhi, take the weakness of joints and rock material as sliding factor. The results of simulation are similar to practical condition and it indicate that rough-joint model can simulate rock slope well.

目錄
口試委員審定書 I
誌謝 II
摘要 III
ABSTRACT IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究流程及架構 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 節理面剪力強度模式 4
2.1.1 Patton’s Bilinear model 4
2.1.2 Ladanyi 與 Archambault 6
2.1.3 Barton’s model 6
2.2 PFC中節理面的模擬方法 7
2.2.1 鍵結消去法 7
2.2.2 平滑節理模式 12
2.2.3 粗糙節理模式 15
2.3 岩石順向坡 18
2.3.1 順向坡破壞機制 18
2.3.2 岩石邊坡重力潛移 21
2.4 岩石邊坡之尺度效應 23
2.4.1 節理面剪力行為之尺度效應 23
2.4.2 不同坡高對安全係數影響 24
2.4.3 大規模岩坡之破壞機制 25
2.5 國內順向坡之破壞案例 27
2.5.1 小林村順向坡災害 27
2.5.2 國道三號順向坡災害 27
2.5.3 烏來忠治里崩塌事件 28
2.6 岩石順向坡模擬 30
2.6.1 Stead, Eberhardt與Coggan(2006) 30
2.6.2 國道3號順向坡災害事件模擬(2011) 31
第三章 研究方法及理論基礎 34
3.1 離散元素法 34
3.1.1 離散元素法應用 34
3.1.2 離散元素法種類 35
3.2 PFC理論背景及架構 35
3.2.1 PFC程式介紹 35
3.2.2 PFC基本假設及運算原理 36
3.2.3 力－位移關係 37
3.3 PFC2D內建之標準接觸模式 39
3.3.1 勁度(Stiffness) 40
3.3.2 滑動行為(Slip) 41
3.3.3 鍵結行為(Bond) 41
3.4 粗糙節理模式理論背景 43
3.4.1 粗糙節理模式之參數設置 43
3.4.2 粗糙節理模式運算流程 43
3.4.3 節理剪向行為理論基礎 43
3.4.4 節理正向行為理論基礎 47
3.5 粗糙節理模式之驗證 48
3.5.1 驗證模型參數設置 48
3.5.2 驗證模型建構 49
3.5.3 驗證模型結果 49
3.6 研磨石室內試驗 52
3.6.1 研磨石試體室內直剪實驗 52
3.6.2 研磨石順向坡試體離心機試驗模擬 57
3.7 現地順向坡之模擬 60
3.7.1 數值剖面建置 62
3.7.2 數值模型參數律定 65
第四章 數值岩石邊坡模擬 70
4.1 數值模擬結果 71
4.1.1 數值模型初始狀態 71
4.1.2 弱面遇水弱化 72
4.1.3 弱面及破碎岩塊遇水弱化 76
4.1.4 弱面設置方式討論 79
第五章 結論與建議 82
5.1 結論 82
5.1.1 模型驗證 82
5.1.2 現地案例 82
5.2 建議 82
參考文獻 84
附錄A 口試委員意見回覆表 86

參考文獻
1.Barton N. (1973) Review of a new shear strength criterion for rock joints. Enginneering Geology, 7:287-332.
2.Barton N., Choubey V. (1977) The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mech, 10:1-54.
3.Bandis S.C., Lumsden A.C., Barton N.R. (1981) Experimental studies of scale effects on the shear behaviour of rock joints. Rock Mech, 18:1-21.
4.Bandis S.C., Lumsden A.C., Barton N.R. (1983) Fundamentals of rock joint deformation. Rock Mech, 20(6):249-268.
5.Barton N., Bandis S.C., Bakhtar K. (1985) Strength, Deformation and Conductivity Coupling of Rock Joints. Rock Mech, 22(3):121-140.
6.Bahaaddini M., Sharrock G., Hebblewhite B.K. (2013) Numerical direct shear tests to model the shear behaviour of rock joints. Computers and Geotechnics, 51:101-115.
7.Bahaaddini M., Haga P.C., Mitra R., Hebblewhite B.K. (2014) Parametric Study of Smooth Joint Parameters on the Shear. Rock Mech, 48(3):923-940.
8.Chigira M. (1992) Long-term gravitational deformation of rocks by mass rock creep. Engineering Geology, 32:157-184.
9.Cundall P.A. (2000) Numerical experiments on rough joints in shear using a bonded particle model. In: Lehner F.K., Urai J.L., editors. Aspects of Tectonic Faulting:1-9.
10.Itasca Consulting Group. (2015) PFC2D (Particle Flow Code in 2 Dimensions) Version 4.0.Minneapolis, MN.
11.Ladanyi B., Archambault G. (1969) Simulation of Shear Behaviour of Jointed Rock Mass. Proc.11th Symposium on Rock Mechanics.(AIME) , chapter 7, 105-125.
12.Patton F.D. (1966) Multiple Modes of Shear Failure In Rock. In:Proc. 1st Congr. Of ISRM, Libson, 509-513.
13.Potyondy D.O., Cundall P.A (2004) A bonded-particle model for rock. Rock Mech, 41:1329-1364.
14.Park J.W., Song J.J. (2009) Numerical simulation of a direct shear test on a rock joint using a bonded-particle model. Rock Mech, 46:1315-1328.
 

15.Stead D., Eberhardt E., Coggan J.S. (2005) Developments in the characterization of complex rock slope deformation and failure using numerical modelling techniques. Engineering Geology, 83:217-235.
16.台灣世曦工程顧問股份有限公司 (2016) 台9甲線10K+200路段災害復舊工程委託設計、測量及地質探查工作地質鑽探報告書。
17.青山工程顧問公司 (2016) 忠治山崩觀測期末審查。
18.邱家吉 (2016) 節理岩體微觀力學模式之研究。國立台灣大學土木工程學系博士論文。
19.林育槿 (2016) 以分離元素法與離心模型試驗探討順向坡滑動行為。國立中央大學土木工程學系碩士論文。
20.莊庭鳳 (2014) 板岩邊坡之重力變形機制研究-以模型試驗及分離元素法探討。國立高雄大學土木與環境工程學系碩士論文。
21.詹佩臻、林銘郎、張國楨 (2016) 順層岩坡滑動破壞面之粗糙度特徵與尺寸效應。中國土木水利工程學刊, 28(2):129-137。
22.蔡尚均 (2016) 順向坡變形之規模效應研究-以離心機實驗與分離元素法探討。台灣大學土木工程學系碩士論文。
23.羅佳明、鄭添耀、林彥享、蕭震洋、魏倫瑋、黃春銘、冀樹勇、林錫宏、林銘郎 (2011) 國道3號七堵順向坡滑動過程之動態模擬。 中華水土保持學報, 42(3):175-183。
24.孫東河 (2014) 砂頁岩互層岩石再浸水條件下之剪力行為。國立海洋大學河海工程系碩士學位論文